V roce 2008 se paprsek protonů poprvé zazipoval kolem Large Hadron Collider (LHC), nejsilnějšího urychlovače částic na světě. Nyní, o deset let později, je čas zhodnotit, co jsme se díky tomuto zařízení naučili a co nás čeká.
Toto účetnictví zahrnuje jak budoucí výzkum, který může LHC provádět, tak možná nová zařízení, která by mohla srážet částice při energiích daleko za to, co LHC může dosáhnout. Byly navrženy dvě nebo možná tři možné náhrady za LHC. Pojďme se tedy podívat, kde jsme a kde jsme za poslední desetiletí.
Příběh LHC je vzrušující a bouřlivý, s událostmi sahajícími od katastrofálního poškození po obrovské magnety nástroje v prvních dnech operací, až po fenomén podobný vzestupu z tragédie, následovaný solidními a vzrušujícími objevy, včetně objevu Higgsův boson. To zjistilo, že získal Nobelovu cenu Petera Higgsa a Francoise Englerta, protože částice předpovídali před půlstoletím. Je neobvyklé, že svět rychle sleduje novinky z fyziky částic, ale oznámení Higgsova objevu vedlo zpravodajství po celém světě.
Hledání nové fyziky
Fyzici byli také na okraji svých křesel a čekali na to, v co doufali, že to budou neočekávané objevy. Téměř půl století vědci nechali vypracovat současné teoretické chápání chování subatomické hmoty. Toto chápání se nazývá standardní model fyziky částic.
Model vysvětluje pozorované chování molekul a atomů obyčejné hmoty a dokonce i těch nejmenších známých stavebních bloků, jaké byly kdy pozorovány. Tyto částice se nazývají kvarky a leptony, přičemž kvarky se nacházejí uvnitř protonů a neutronů, které tvoří jádro atomu, a elektrony jsou nejznámějším leptonem. Standardní model také vysvětluje chování všech známých sil, kromě gravitace. Je to opravdu mimořádný vědecký úspěch.
Standardní model však nevysvětluje všechny věci v teoretické fyzice. Nevysvětluje to, proč se zdá, že kvarky a leptony existují ve třech odlišných, ale téměř identických konfiguracích, nazývaných generace. (Proč tři? Proč ne dva? Nebo čtyři? Nebo jeden? Nebo 20?) Tento model nevysvětluje, proč je náš vesmír tvořen výhradně hmotou, když nejjednodušší pochopení teorie relativity Alberta Einsteina říká, že vesmír by měl také obsahovat stejné množství antihmoty.
Standardní model nevysvětluje, proč studie o vesmíru naznačují, že obyčejná hmota atomů tvoří pouhých 5 procent hmoty a energie vesmíru. O zbytku se předpokládá, že sestává z temné hmoty a temné energie. Temná hmota je forma hmoty, která prožívá pouze gravitaci a žádnou z ostatních základních sil, zatímco temná energie je forma odpudivé gravitace, která prostupuje vesmírem.
Před prvními operacemi LHC fyzici jako já doufali, že nám atomová kouzelník pomůže odpovědět na tyto záhadné otázky. Nejběžněji citovaná teorie kandidátů, která vysvětluje tyto hádanky, se nazývala supersymetrie. To naznačuje, že všechny známé subatomické částice mají "superpartnerské" protějšky. Ty pak mohou poskytnout vysvětlení temné hmoty a odpovědět na některé další otázky. Fyzici však nepozorovali žádnou supersymmetrii. Data LHC navíc vylučují nejjednodušší teorie zahrnující supersymetrii. Co tedy LHC dosáhlo?
LHC udělal hodně
Kromě toho, že celá věc Higgsova bosonu, LHC přivádí data ke svým čtyřem velkým experimentálním kolaboracím, což vede k více než 2 000 vědeckým článkům. Uvnitř LHC byly částice do sebe rozbíjeny energií 6,5krát vyšší než energie dosažená Fermilabem Tevatronem, který držel titul nejsilnějšího urychlovače částic na světě po čtvrt století, dokud LHC tuto korunu nezískal.
Tyto testy standardního modelu byly velmi důležité. Kterákoli z těchto měření by mohla nesouhlasit s předpovědi, které by vedly k objevu. Ukazuje se však, že standardní model je velmi dobrá teorie, a to učinilo jako přesné předpovědi při kolizních energiích LHC, jako tomu bylo pro energetické úrovně v dřívějších Tevatronech.
Je to problém? Ve velmi reálném smyslu je odpověď ne. Věda je konec konců tolik o testování a odmítnutí nesprávných nových myšlenek, jako o validaci správných.
Na druhou stranu nelze popřít, že by vědci byli mnohem více nadšeni, když najdou jevy, které dříve nebyly předpovídány. Objevy tohoto typu vedou k lidským znalostem, které vrcholí přepisováním učebnic.
Příběh LHC ještě neskončil
Takže co teď? Dokončil nám LHC svůj příběh? Stěží. Vědci se skutečně těší na vylepšení vybavení, které jim pomůže studovat otázky, které nedokážou vyřešit pomocí současné technologie. LHC se na začátku prosince 2018 vypnula na dva roky rekonstrukcí a upgradů. Když urychlovač obnoví činnost na jaře 2021, vrátí se s mírným zvýšením energie, ale zdvojnásobí počet srážek za sekundu. S ohledem na budoucí plánované aktualizace vědci LHC dosud zaznamenali pouze 3 procenta očekávaných údajů. I když bude trvat mnoho let, než se proběhnou všechna zjištění, současný plán má zaznamenat asi 30krát více údajů, než bylo dosud získáno. Vzhledem k tomu, že přijde mnohem více dat, má LHC stále co vyprávět.
Přestože LHC bude fungovat pravděpodobně dalších 20 let, je naprosto rozumné se zeptat také: „Co bude dál?“ Fyzici částic uvažují o vybudování následného urychlovače částic, který nahradí LHC. Podle tradice LHC by jedna možnost srazila paprsky protonů společně na energii ohromující - 100 bilionů elektronových voltů (TeV), což je mnohem větší než nejvyšší schopnost LHC 14 TeV. Ale dosažení těchto energií bude vyžadovat dvě věci: Zaprvé, museli bychom postavit magnety, které jsou dvakrát výkonnější než ty, které tlačí částice kolem LHC. To je považováno za náročné, ale dosažitelné. Za druhé, budeme potřebovat další tunel, podobně jako LHC, ale mnohem více než třikrát větší kolem, s obvodem míčového parku 61 kilometrů (100 kilometrů), přibližně čtyřikrát větší než obvod LHC.
Ale kde bude tento velký tunel postaven a jak to bude vypadat? Jaké paprsky se srazí a jakou energií? To jsou dobré otázky. Nejsme dostatečně daleko v procesu navrhování a rozhodování, abychom získali odpovědi, ale existují dvě velmi velké a dokonalé skupiny fyziků, kteří přemýšlejí o problémech, a každý z nich vytvořil návrh nového urychlovače. Jeden z návrhů, z velké části poháněný evropskými výzkumnými skupinami, si představuje výstavbu velkého dalšího urychlovače, který se pravděpodobně nachází v laboratoři CERN, hned za Ženevou.
Podle jednoho nápadu by zařízení narazilo na svazek elektronů a antihmotových elektronů. Kvůli rozdílům mezi urychlujícími protony ve srovnání s elektrony - elektronový paprsek ztrácí více energie kolem kruhové struktury než protonový paprsek - tento paprsek by používal tunel dlouhý 61 kilometrů, ale pracoval s nižší energií, než kdyby to byly protony. Jiný návrh by použil stejný 61 mílový urychlovač ke srážce paprsků protonů. Skromnější návrh by znovu použil současný tunel LHC, ale s výkonnějšími magnety. Tato možnost by pouze zdvojnásobila kolizní energii nad to, co LHC může udělat nyní, ale je to levnější alternativa. Další návrh, z velké části prosazovaný čínskými vědci, představuje zcela nové zařízení, pravděpodobně postavené v Číně. Tento urychlovač by měl být také asi 61 mil a srážel by elektronové a antihmotové elektrony dohromady, před přepnutím na proton-protonové srážky asi v roce 2040.
Tyto dva potenciální projekty jsou stále ve fázi mluvení. Vědci, kteří tyto návrhy navrhnou, budou muset najít vládu nebo skupinu vlád, kteří budou ochotni zaplatit účet. Než se to však může stát, musí vědci určit schopnosti a technologie potřebné k tomu, aby tato nová zařízení byla možná. Obě skupiny nedávno zveřejnily rozsáhlou a důkladnou dokumentaci svých návrhů. To nestačí k vybudování navrhovaných zařízení, ale je dost dobré porovnat plánované výkony budoucích laboratoří a začít sestavovat spolehlivé předpovědi nákladů.
Zkoumání hranice znalostí je obtížné úsilí a může trvat mnoho desetiletí od prvních snů o vybudování zařízení této velikosti, přes operace až po jeho uzavření. Když si připomínáme desetileté výročí prvního paprsku v LHC, stojí za to posoudit, co zařízení dosáhlo a co přinese budoucnost. Vypadá to, že pro příští generaci vědců budou k dispozici vzrušující údaje. A možná, jen možná, se naučíme několik fascinujících tajemství přírody.
Don Lincoln je vědecký pracovník ve fyzice Fermilab. Je autorem knihy „Velký Hadron Collider: Mimořádný příběh Higgsova bosona a dalších věcí, které vám vyfouknou mysl„(Johns Hopkins University Press, 2014) a produkuje řadu přírodovědného vzdělávání videa. Následuj ho na Facebooku. Názory vyjádřené v tomto komentáři jsou jeho.
Don Lincoln přispěl tento článek do Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
